HIV關鍵性蛋白Nef取得重大進展

知識 08-11

HIV關鍵性蛋白Nef取得重大進展

2016年8月10日/生物谷BIOON/--全世界有3600萬多人感染上人類免疫缺陷病毒（HIV），其中美國有120萬人感染上HIV。當前的抗逆轉錄病毒藥物組合阻斷HIV如何複製、成熟和入侵未被感染的細胞，但是這種組合不能夠根除這種病毒。

作為美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）生物與工程科學中心的一名研究員，MikeKent正在研究參與HIV感染髮展為獲得性免疫缺陷綜合征（AIDS）的蛋白Nef，最終目標是阻斷它。他和他的合作者開發出一種新的混合方法來研究這種破壞免疫系統的HIV蛋白。這種方法也可能能夠研究很多其他的破壞細胞過程和導致疾病的蛋白。

Nef到達被感染的細胞的細胞膜上，誘導這種細胞破壞它自己的免疫系統信號受體，從而允許這種被感染的細胞躲避免疫系統的檢測。Nef也劫持了細胞通信而使得這種病毒更容易複製。為了與這些宿主蛋白相互作用，Nef需要改變形狀。

這種改變形狀的蛋白Nef是如此重要以至於感染上與HIV親緣關係較為密切的猴免疫缺陷病毒（SIV）的恆河猴因SIV缺乏蛋白Nef而不會產生免疫缺陷癥狀。

Kent說，「Nef是產生AIDS所必需的一種蛋白。它通過改變信號轉導和受體運輸來實現它的任務。它結合到至關重要的免疫系統受體上，然後指示我們的細胞摧毀它們。如果知道這種蛋白如何發揮作用，那麼人們就能夠更好地開發阻止它的藥物。」

將兩種技術結合在一起揭示Nef結構和功能

Kent和來自美國東北大學的生物分析化學教授John Engen團隊將兩種已知的生物物理技術結合在一起發現Nef如何改變它的結構來發揮它的功能。

Kent是中子反射術（neutron reflectometry）專家，其中中子反射術是一種獲得薄膜和生物膜納米水平結構信息的技術。他的團隊利用這種技術對Nef結合到細胞膜上時的全局結構和它失活的未結合到細胞膜上時的全局結構進行比較。

Engen的專長是氫-氘交換質譜（hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry），即一種測量蛋白局部結構和柔性的技術。Engen團隊利用它獲得Nef結合到細胞膜上時的局部結構和動力學特徵。

利用中子反射術獲得的全局結構信息只顯示出Nef蛋白相對於細胞膜的平均位置。利用氫-氘交換質譜產生的Nef蛋白局部動力學特徵是通過測量這種蛋白的很多小部分而獲得的，反映出30個存在重疊的區域的柔性，其中這30個區域一起覆蓋了Nef蛋白的90%。它們一起構建出一種更加完整的Nef結構圖和它的結構變化。

這種全局的和局部的肽特異性信息支持一種廣泛接受的假設：在結合到細胞膜上時，Nef改變它的結構，從而與信號受體和其他的宿主蛋白相互作用，而在此之前，這種假設從未獲得支持。

Kent說，「人們很長時間以來就一直在研究Nef，而且人們提出模型，認為這種蛋白可能看起來像什麼和可能發揮什麼作用。Nef是一種很難研究的蛋白，這是因為人們只能夠讓這種蛋白的摺疊部分形成結晶，而且大約該蛋白的一半是鬆散的。此外，人們不能夠通過結晶學分析研究結合細胞膜上的Nef蛋白。」

Kent繼續說道，「這是人們首次測量出這些結構變化，而且這些結果與假設的模型相一致。這些形狀變化的細節為Nef蛋白如何發揮功能提供新的重要認識。」這種混合方法可能導致新的用於藥物篩選的檢測程序。

為了將這兩種技術結合在一起，Kent團隊首先需要製造出一種特殊的儀器。它需要包含一種扁平的由飽和脂肪組成的模擬生物膜的脂質單層。它也不得不與一種配備著用於中子反射測量的中子源的設備整合在一起，從而允許快速地交換這種鬆軟的用於氫-氘交換實驗的支持層。

另一種挑戰就是正確地產生Nef蛋白。在被感染的細胞中，Nef被附著上一種特殊的脂質，這種脂質起著將Nef錨定到細胞膜上的作用。Engen團隊需要產生含有這種不可或缺的脂質---被稱作豆蔻酸根（myristate group）---的Nef蛋白。

這項研究受到美國國家衛生研究院的資助。這些中子反射測量是在美國國家標準技術研究所中子研究中心和橡樹嶺國家實驗室散裂中子源開展的。

新方法可能解決關於HIV和其他疾病的很多問題

利用這種混合方法和獨特的儀器在身邊，Kent團隊正在尋找研究資金來解答關於Nef的其他問題。

Kent說，「我們曾獨自地研究它；如今，我們想要研究它和它的結合搭檔、宿主蛋白和它形成的複合物，以及在藥物分子或抑制劑存在時開展同樣的研究。阻止它與它的搭檔結合，或者抑制它獲得導致受體降解的構象將會產生重要的醫學影響。」

來自美國匹茲堡大學醫學院的Tom Smithgall當前正在篩選可能阻斷Nef作用的潛在藥物。

Kent也希望利用這種混合方法解決膜結合蛋白的其他重要的結構問題，如病毒成熟；病毒與宿主細胞膜融合；肉毒毒素、破傷風菌毒素和白喉毒素等細菌毒素的工作機制；從癌症到膽固醇水平調節在內的細胞信號功能障礙。

Kent說，「就一般意義而言，將這兩種技術結合在一起具有巨大的潛力。還沒有其他的方法獲得關於至關重要的膜蛋白的這些特異性的直接信息。這是一種重要的生物學問題集中之處，在我們的研究之前是不可能解決的，而且我們已取得一些重大進展。未來的益處依賴於我們如何廣泛地使用這種方法，而不只是研究這種HIV蛋白。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

【1】Researchers develop method to study critical HIV protein

【2】Membrane-Associated Conformation of HIV-1 Nef Investigated with Hydrogen Exchange Mass Spectrometry at a Langmuir Monolayer

Analytical Chemistry, doi:10.1021/acs.analchem.5b01725

【3】Conformational Transition of Membrane-Associated Terminally AcylatedHIV-1Nef

Structure, doi:10.1016/j.str.2013.08.008

【4】HydrogenExchange Mass Spectrometry of Proteins at Langmuir Monolayers

10.1021/acs.analchem.5b01724

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